KR20040035785A - 분자 배향 제어 방법 및 분자 배향 제어 장치 - Google Patents

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KR20040035785A
KR20040035785A KR10-2004-7003758A KR20047003758A KR20040035785A KR 20040035785 A KR20040035785 A KR 20040035785A KR 20047003758 A KR20047003758 A KR 20047003758A KR 20040035785 A KR20040035785 A KR 20040035785A
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모노베히로사토
시미즈요
아와즈구니오
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Abstract

본 발명은 분자성 재료의 분자내 화학 결합의 진동 에너지 준위를 적외광을 이용하여 특이적으로 여기함으로써, 상기 분자가 국소적으로 이방적으로 가열되고, 국소적으로 열적 비평형 상태를 일으켰을 때, 조사광의 파장, 입사 방향 및 편광 방향에 의존하여 선택적으로, 입사광 축에 수직인 평면에 대하여 면내 또는 면외 방향의 특정 방향으로 재배향하는 것을 이용하여 정밀한 분자 배향 방향을 제어하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

분자 배향 제어 방법 및 분자 배향 제어 장치{MOLECULAR ORIENTATION CONTROLLING METHOD AND MOLECULAR ORIENTATION CONTROLLING DEVICE}
트리페닐렌(triphenylene), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 및 포르피린계 (porphyrin-based)의 원반상형(discotic) 액정 분자는 컬럼축 방향을 따라 큰 전하이동도가 측정되는 등, 전하 수송 재료로서 기대되어 왔다. 또한, 그 액정성을 이용하여 기판과의 상호작용을 이용하는 등, 보다 고성능의 기능을 얻기 위해 액정 분자의 배향 방향을 제어하려는 노력이 시도되어 왔다.
예를 들면, 미국특허 제4,974,941(일본특허공개 평2-277025호 공보)호는 액정 분자의 정렬 방법을 기재하고 있으나, 이 정렬 방법은 분자 전자 천이(molecular eletronic transition)에 기반하는 것으로, 진동 여기(vibrational excitation)에 기반하는 것은 아니다. 또한, 이 정렬 방법은 이방성 흡수 분자(anisotropically absorbing molecular)의 노광에 의해 유발되고, 상기 이방성분자는 서모트로픽 액정 화합물(thermotropic liquid crystal compound) 및 약 150nm와 약 2000nm 사이의 2색성 흡수 파장대(dichroism absorption wavelength band)를 갖는 2색성 염료(dichroic dyes)이며, 2.5μm(2500nm;4000cm-1)이상이 되는 파장의 진동 여기에 기반하는 흡수에 대해서는 기재되어 있지 않다.
본 발명은 거의 모든 분자가 흡수 파장을 갖는 적외광(파장 2.5μm∼25μm)을 조사함으로써, 분자의 배향 방향을 용이하게 제어할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 분자 배향된 기능성 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가서, 본 발명은 분자 배향 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 적외광 조사에 의한 분자 배향 제어 방법, 분자 배향이 제어된 기능성 재료, 및 분자 배향 제어 장치에 관한 것이다.
도1은 편광 적외광 조사에 의한 가역적 분자 배향 제어 장치를 예시한 개략도.
도2는 실시예1에 있어서, 액정 분자의 배향이 입사 방향 및 편광 방향에 수직인 것을 도시하는 편광 현미경 사진의 카피.
도3은 실시예2에 있어서 액정 분자의 배향이 입사광 및 편광 방향에 수직인 것을 도시하는 편광 현미경 사진의 카피.
도4는 실시예3에 있어서 액정 분자의 배향이 입사광 및 편광 방향에 수직인 것을 도시하는 편광 현미경 사진의 카피.
도5는 실시예5에 있어서 액정 분자의 배향이 파장이 다른 적외광의 조사에 의해 전환되는 것을 도시하는 편광 현미경 사진의 카피.
도6은 실시예6에 있어서의 편광 현미경 사진의 카피.
도7은 실시예6에 있어서의 조사적외 레이저빔 출력의 편광면 의존성을 도시한 도면(세로축:광강도, 원주 방향:각도).
도8은 실시예6의 액정 분자를 도7에 도시한 적외광에 의해 배향 제어한 영역에서의 분자의 코어부의 방향족 C-C결합에 귀속되는 1615cm-1에서의 편광적외 흡수강도의 각도 의존성(세로축:흡수강도, 원주 방향:각도)을 도시한 도면.
도9는 조사적외 레이저광의 편광면 방향을 변화시키기 위해 이용되는 광학계의 예를 도시한 것이며, 미러의 틸트 각도(tilt angle) 및 높이 조정에 의해 조사적외광의 편광면 방향을 변환한다.
도10∼도17은 본 발명의 방법의 구체예를 도시하는 도면.
도18은 실시예7에 있어서의 편광 현미경 사진의 카피.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
도1 : (A)회전가능한 적외편광 또는 편광소자의 조합
(B)온도제어가능한 이동·회전 스테이지
(C)방물면경 또는 집광렌즈계
도9: (D)금속 또는 알루미늄미러
(E)틸트 각도의 조정에 의해 편파면 방향을 변환
(F)편광 방향을 변화시킨 직선편광 적외광
(요약)
본 발명은, 분자성 재료의 분자내 화학 결합의 진동 에너지 준위를 적외광을 이용하여 특이적으로 여기함으로써, 상기 분자가 국소적으로 이방적으로 가열되고, 국소적으로 열적 비평형 상태를 일으킨 후, 조사광의 파장, 입사 방향 및 편광 방향에 의존하여 선택적으로 입사광축에 수직인 평면에 대하여 면내 및 면외 방향의 특정 방향으로의 재배향하는 것을 이용하여, 정밀한 분자 배향 방향의 제어를 수행하는 것과, 그 장치에 관한 것이다.
본 발명자들은 분자성 재료에 적외광을 조사하여 진동 여기하고, 특이적으로 가열하는 것에 의해 액상(액정 및 메소페이즈(mesophase: 이하 중간상이라고 함)를 포함함) 뿐만 아니라, 고체상에 있어서도 분자성 재료의 배향을 제어할 수 있다는 것과, 조사 적외광의 파장, 조사 방향 또는 편광 방향을 임의로 조절함으로써 분자성 재료의 배향을 제어하여 재배향시킬 수 있다는 것을 발견했다.
또한, 한번 적외광 조사 또는 다른 수단에 의해 일 방향으로 배향시킨 부분을 조사파장, 편광면, 입사 방향을 선택하여 적외광 조사함으로써 가역적이고, 또한 반복 가능하게 분자성 재료를 재배향시킬 수 있다. 이렇게 해서 분자 배향 구조를 고쳐 쓸 수 있고, 또는 보다 정밀한 구조의 묘화(描畵)가 가능하다는 것을 발견하였다.
또한, 적외광 조사에 의해 배향시킨 구조를 광중합(photopolymerization) 등에 의해 고정화할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르렀다.
본 발명은 하기의 분자 배향 제어 방법, 기능성 재료, 및 분자 배향 제어 장치에 관한 것이다.
1. 분자성 재료에 적외광을 조사함으로써 재료 분자를 배향시키는 분자성 재료의 배향 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 적외광이 편광 적외광(polarized infrared light)인 방법.
3. 제1항에 있어서, 분자성 재료가 액정 재료, 비결정성(amorphous) 재료, 유점성(plastic) 결정 재료, 고분자 액정 재료 및 배향성 고분자 재료로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 방법.
4. 제3항에 있어서, 액정 재료가 액정상을 형성하고 있는 방법.
5. 제3항에 있어서, 액정 재료가 고체상을 형성하고 있는 방법.
6. 제1항에 있어서, 분자성 재료의 분자 내의 임의의 결합에 있어서의 진동 모멘트가 흡수하는 파장의 적외광을 조사하고, 상기 분자를 조사광의 편광 방향 또는 입사 방향에 대하여, 상기 진동 모멘트의 방향이 편광 방향에 대하여 수직 방향또는 입사 방향과 평행 방향으로 배향되는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 분자성 재료가 2장의 기판 사이에 끼어지고, 서로 입사 방향, 편광 방향 및 파장으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 다른 편광 적외광을 기판에 대하여 수직 또는 평행 방향으로 복수회 조사함으로써, 상기 분자성 재료의 배향이 상기 기판에 대하여 평행배향과 수직 배향을 가역적으로 스위칭되는 방법.
8. 제1항에 있어서, 다른 파장의 적외광 조사를 동시에 또는 복수회 수행함으로써, 재료 분자 내의 세그먼트마다의 배향을 희망하는 방향으로 제어하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 적외광이 2.5∼25μm의 범위 내에 있는 파장을 갖는방법.
10. 제1항에 있어서, 적외광이 레이저광인 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 분자성 재료가 2장의 기판 사이에 끼어지고, 적외광을 2회 이상 조사함으로써, 상기 분자의 배향을 기판면에 대하여 면내 및 면외 방향으로 스위칭하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 분자성 재료가 네마틱상(nematic phase), 스메크틱상(smetic phase), 콜레스테릭상(cholesteric phase), 컬럼상(columnar phase) 및 큐빅상(cubic phase)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 액정상 또는 관련되는 중간상(mesophase)을 특정한 온도 범위에서 발현하고, 적외광을 조사함으로써 분자 배향이 변화하는 액정 분자인 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 재료가 컬럼상인 방법.
14. 제1항의 방법에 의해 분자 배향이 제어되는 기능성 재료.
15. 제14항에 있어서, 기능성 재료가 광기록 재료, 도전성 재료, 광학 소자 또는 광도파로(optical waveguide)인 재료.
16. 제14항에 있어서, 기능성 재료가 광중합(photopolymerization), 광가교(photo-crosslinking) 또는 광경화(photocure)에 의해 상기 재료 분자가 고정화되는 광기록 재료인 재료.
17. 적외광 조사부 및 분자성 재료의 배치부를 포함하는 분자성 재료의 배향 제어 장치.
18. 제17항에 있어서, 적외광을 편광 적외광으로 변환하는 편광소자를 포함하는 장치.
19. 제17항에 있어서, 적외광의 입사 방향 제어부를 포함하는 장치.
20. 제18항에 있어서, 편광 방향 제어 장치를 포함하는 장치.
21. 제17항에 있어서, 적외광의 파장제어 장치를 포함하는 장치.
22. 제17항에 있어서, 적외광이 400cm-1∼4000cm-1(2.5μm∼25μm)의 파수범위이고, 또한 편광 2색성을 갖는 장치.
23. 제17항에 있어서, 상기 배치부가 분자성 재료를 액정상 또는 중간상을 발현하는 특정의 정의 온도 범위로 제어하는 온도 제어부를 포함하는 장치.
본 발명에 있어서의 배향 제어란 이하의 3가지의 경우를 의미한다.
① 적외광 조사 전에 어느 방향으로 배향하고 있는 분자성 재료를 다른 방향으로 배향시킨다(분자성 재료의 방향이 변화된다). 예를 들면, 실시예1∼6이다.
② 적외광 조사 전에 어느 방향으로 배향하고 있는 분자성 재료를 비배향하고, 또는 배향성을 저하시킨다. 예를 들면, 실시예7이다.
③ 적외광 조사 전에 비배향의 재료성 분자를 어느 방향으로 배향시킨다.
본 발명에서 이용되는 분자성 재료는, 액정 재료, 비결정성 재료, 유점성 결정 재료, 또는 고분자 재료를 포함한다.
배향되는 재료 분자란, 분자성 재료의 구성성분으로, 구체적으로는 액정 분자, 비결정성 분자, 유점성 결정 분자, 또는 고분자 재료 분자를 들 수 있다.
재료 분자의 세그먼트란, 하나의 배향을 취할 수 있는 원자단을 의미하고, 구체적으로는 에스테르, 알킬, 알콕시, 아미드, 에테르, 케톤, 알데히드, 수산기, 아릴기(aryl), 아릴렌기(arylene), 아랄킬기(aralkyl), 알케닐기(alkenyl), 알키닐기(alkynyl), 아미노기, 시아노기, 카르복실기, 카르보닐기, 니트로기, 페닐기, 비페닐기 등의 관능기, 축합 탄화수소환(condensed hydrocarbon ring), 축합 복소환(condensed hetetocycle ring), 공중합체에 있어서 동일한 모노머가 연속된 부분(블록 공중합체(block compolymer)의 각 블록, 그라프트 공중합체(graft copolymer)의 각 그라프트, 소정의 평균 연쇄 길이를 갖는 랜덤 공중합체의 각 모노머의 연쇄 부분)등이 예시된다.
본 발명에 있어서의 유점성 결정 재료는 결정에 있어서의 분자의 배향이 극도로 흐트러진 상태를 갖는 재료이며, 풀러렌(fullerene)(다층나노튜브(nanotube), 단층 나노튜브, C60, C70, 고차원 풀러렌을 포함한다) 등이 있다. 실온에서 유동성이 높은 화합물에 대해서는 저온으로 하여, 화합물의 유동성을 낮춘 후, 분자 배향 제어를 수행할 수 있다.
본 발명에 있어서의 비결정성 재료는 결정성을 갖지 않는 원자 배열을 한 고체 재료로서 비결정, 비정질이라고도 불리는 것으로, 예를 들면 프탈로시아닌(phthalocyanine) 등을 들 수 있다. 재료에 따라 다르지만, 일반적으로 액정 재료에 비교하여 비결정성 재료는 장시간 조사 또는 강한 빛을 조사할 필요성이 있다.
고분자 재료는 고분자 액정 재료와 배향성 고분자 재료를 포함한다.
본 발명에 이용하는 고분자 재료에 포함되는 고분자 액정 재료로서는, 상기 재료의 적외광 흡수체에 상당하는 파장을 갖는 적외광의 조사에 의해 분자 배향이 변경되는 고분자라면 특별히 한정되지 않으나, 측쇄형 고분자 액정, 또는 주쇄형 고분자 액정 등, 측쇄부 또는 주쇄부에 비페닐기와 같은 봉(棒) 형상의 메소겐(mesogenic) 부위를 갖는 고분자를 들 수 있다.
배향성 고분자 재료로서는 배향성을 갖는 한 모든 고분자가 포함되고, 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리술폰, 폴리에테르에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리우레탄 등의 열가소성 수지, 폴리페놀, 실리콘 등의 열경화성 수지 또는 이들의 공중합체(블록 공중합, 랜덤 공중합체, 그라프트 공중합체), 단백질, DNA, RNA가 예시된다.
본 발명에 있어서의 액정 재료로서는 특별히 한정되지 않으나, 일반적인 봉형상 액정, 원반상형 액정 분자가 선택적으로 결합됨으로써 형성되는 액정 재료 등을 들 수 있으며, 예를 들면, 트리페닐렌계, 프탈로시아닌계, 포르피린계의 원반상형의 액정 분자를 갖는 것이 바람직하다.
그 중에서도 트리페닐렌계의 원반상형 액정 분자를 갖는 것이 바람직하고, 바람직한 실시형태의 하나로는 하기 일반식에서 나타나는 트리페닐렌 화합물을 포함한다.
상기 일반식 중의 R은 같거나 또는 다르며, 알킬기, 알콕시기, 알킬벤조일옥시기, 알콕시벤조일옥시기, 알킬티오기 등을 들 수 있다. 이들 기의 알킬 부분으로서는 직쇄형상, 환형상 또는 분기형상의 탄소수1~18, 바람직하게는 4~12, 보다 바람직하게는 탄소수 4~8의 지방족 탄화수소기를 들 수 있다. 그 중에서도 R로서는 탄소수 1∼18, 바람직하게는 탄소수 4∼12, 보다 바람직하게는 탄소수 4∼8의 알콕시기를 들 수 있다.
액정 재료는 네마틱상, 스메크틱상, 콜레스테릭상, 컬럼상 및 큐빅상으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 액정상 또는 관련되는 중간상을 특정한 온도 범위에서 발현하는 것이 바람직하고, 컬럼상이 보다 바람직하다. 여기에서, 관련되는 메소페이즈(중간상)란 컬럼플라스틱상(columnarplastic phase), 헤리칼상(helical hase), 유연성 결정상(flexible crystalline phase) 등을 의미한다.
본 발명에 있어서, 분자성 재료의 어떠한 분자내 화학 결합의 진동 에너지에 상당하는 파장을 갖는 적외광을 조사한다. 여기에서, 유동성을 갖는 분자성 재료,특히 액정상의 액정 재료, 고분자 액정 재료에 대하여는 편광 적외광을, 고체상의 액정 재료, 고분자 액정 재료, 배향성 고분자 재료에 대해서는 편광 또는 무편광 적외광을 사용할 수 있으나, 이하 이들을 단순히 “적외광”이라고 한다. 편광 적외광을 사용한 경우에는, 조사광의 편광 방향에 의존한 방향으로 대상이 되는 분자를 배향시킬 수 있다. 본 명세서에 있어서, “편광 방향”이란, 적외광의 전기 벡터의 진동 방향을 의미하며, 편광면이란 적외광의 진행 방향과 전기 벡터를 포함하는 면을 의미한다. 또한, 편광 적외광에는 직선편광 적외광, 원평광 적외광, 타원편광 적외광을 포함한다.
여기에서 말하는 “편광 방향에 의존한 방향으로 분자를 배향시킨다”란, 편광 방향에 대하여 분자내 화학 결합의 진동 변이 모멘트가 수직이 되는 방향으로 분자가 배향됨을 의미한다. 즉, 어떠한 파장의 편광 적외광을 받으면, 대응하는 진동 에너지를 갖는 결합은 편광 적외광을 흡수하지 않도록 방향을 향하도록, 즉 편광방향과 화학 결합의 진동 방향이 수직이 되도록 분자가 배향된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 재료에 각각의 분자 내의 임의의 화학 결합의 진동 여기 에너지에 상당하는 파장을 갖는 적외광을 조사할 수 있다.
이들 적외광은 2.5∼25μm의 범위 내에 있는 파장(파수로는 400∼000cm-1)을 갖는 것이 바람직하고, 2.5∼12.5μm의 범위 내에 있는 파장(파수로는 800∼4000cm-1)을 갖는 것이 보다 바람직하다. 이들 범위 내에서, 각각의 분자의 분자골격 및 치환기의 적어도 1개의 결합에 대한 진동 에너지 준위를 여기하는 적외광의 파장을 선택하면 좋다.
예를 들면, 트리페닐렌계의 액정화합물로서, 실시예1에서 사용한 것과 같은 헥사키스알킬옥시트리페닐 화합부를 예로 들면, 트리페닐렌 분자 코어의 방향족C-C결합의 진동에 기인하는 파장 6.19μm(파수 1615cm-1), 파장 6.63μm(파수 1509cm-1), 알콕시기 C-0-C 결합에 기인하는 파장 6.99μm(파수 1431cm-1), 파장 7.93μm(파수 1261cm-1), 파장 8.58μm(파수 1166cm-1), 파장 9.64μm(파수 1039cm-1), 알킬기에 기인하는 파장 3.41μm(파수 2932cm-1), 파장 3.50μm(파수2861cm-1), 방향족 C-H결합의 면외변각 진동에 기인하는 파장 11.92μm(파수 839cm-1) 등에 상당하는 적외광을 조사함으로써 액정 분자가 재배향된다. 일반적인 봉형상 결정, 포르피린계, 프탈로시아닌계의 화합물에 있어서도, 각 화합물의 흡수대에 상당하는 적외광을 조사함으로써 액정 분자가 재배향된다.
진동 변이에 기반하는 여기는 분자 내의 각 화학 결합마다 고유한 파장의 빛을 흡수하여 여기되는 현상이다. 또한, 신축 진동, 면외 진동 등의 모드와 같이,같은 화학 결합 부위에 있어서도 흡수하는 파장에 대응하여, 각 결합에 있어서의 진동 변이 모멘트의 방향은 다르다. 이로부터, 진동 여기에 의한 분자성 재료의 배향 제어 방법에 있어서, 액정 분자 중의 화학 결합마다 대응하는 적외광의 파장을 선택하여 조사하고 분자를 진동 여기함으로써, 액정 분자를 재배향할 수 있다.
또한, 대상이 되는 분자도 이방성 광흡수 분자를 특별히 선택할 필요가 없이 조사하는 적외광의 파장을 선택함으로써, 대상분자 중의 화학 결합 부위를 특이적으로 진동 여기할 수 있다.
본 발명에 있어서, 편광 적외광을 이용하면, 분자 배향은 특정한 방향을 향하고, 표시장치로서 바람직하고, 또한, 빛의 도파로 구축이 가능하다.
본 발명에 있어서, 편광 2색성을 갖는 적외광을 이용하면, 적외광의 입사 방향과 평행 방향으로 액정 분자가 배향되고, 액정 필름 중에 광학 이방성(optical anisotropy)을 지닌 도파로 형성이나 이방적 도전로의 형성이 가능하다.
본 발명에 있어서, 편광 방향의 방향은 완전히 균일하게 되어 있는 것이 바람직하지만, 편광 방향의 방향이 어느 정도 분포를 가진 것이라도 좋다. 액정 상태에 있어서는 열 운동에 의해 평면 내에서 분자가 회전하고 있는 상태에 있다고 생각할 수 있으며, 대칭형의 액정 분자의 경우에는 분자 회전은 판별할 수 없으나, 비대칭분자에 있어서, 적외광을 흡수하는 부위가 특정한 위치에 있는 경우에는 회전할 가능성을 생각할 수 있다.
분자자체를 적외광을 사용하여 진동 여기하고 특이적으로 가열하는 것으로, 국소적인 열적 비평형 상태, 즉, 보다 운동성이 있는 상태가 일어나는 것을 이용하여, 조사 적외광의 파장, 조사 방향 및 편광 방향을 임의로 조절함으로써 액정분리 응집계 및 액정 고분자계를 제어하여 재배향시킬 수 있게 된다.
바꾸어 말하면, 액정상의 액정 분자에 액정 분자 내의 임의의 결합에 있어서의 진동 모멘트가 흡수하는 파장의 편광 적외광을 조사하면, 조사광의 편광 방향과 입사 방향에 대하여, 상기 진동 모멘트의 방향이 ±90도 방향으로 되도록 상기 액정 분자가 배향되는 것을 이용하여 분자 배향을 제어할 수 있게 된다. 마찬가지로, 액정상의 액정 분자 이외의 분자성 재료의 재료 분자에 대해서도 분자 배향을 제어할 수 있게 된다.
또한, 분자골격평면에 대하여 평행한 진동 변이 모멘트를 갖는 진동 모드에
대응하는 파장의 적외광을 조사할지, 분자골격평면에 대하여 수직한 진동 변이 모멘트를 갖는 진동 모드에 대응하는 파장의 적외광을 조사할지를 선택함으로써, 액정 분자 등의 재료 분자가 어떠한 배향 방향에 있다 하더라도, 조사광의 입사 방향과 편광 방향에 대하여 수직한 면내 또는 면외 방향으로 분자 배향을 재배향시킬 수 있다. 조사하는 적외광의 편광면을 ±90도 변화시키는 것에 의해서도 동일한 분자 배향을 재배향시킬 수 있다. 또한, 액정 재료를 2장의 기판 사이에 끼우고, 상기 액정 재료에 다른 파장의 적외광 조사를 1회 또는 복수회 수행함으로써, 기판에 대한 액정 분자의 평행 및 수직 배향을 가역적으로 스위칭할 수 있다. 이 때, 액정 재료를 끼우기 위한 기판은 조사 적외광이 투과되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 자유전자 레이저 등의 편광 특성을 갖는 단색 적외광을 이용하여 분자내 화학 결합의 진동 에너지 준위를 특이적으로 여기함으로써, 분자가 가열되어 국소적으로 열적 비평형 상태를 만들어낸 후, 편광 방향에 의존하여 선택적으로 특정 방향으로 재배향되는 것을 이용한다. 이에 따라, 분자 내의 화학 결합마다의 방향제어가 가능할 정도로 정밀한 분자 배향 제어를 할 수 있다.
본 발명의 방법의 구체예를 도10∼17을 이용하여 더욱 상세하게 설명한다.
도10(i)에 조사하는 편광 적외광을 도시한다. 입사축은 z축이 되고, 편광면은 x-z평면으로 한다.
도10(ii)에는 한 원반상형 분자의 분자골격(원반내)의 결합 방향을 도시한다. 결합 방향에 평행(x-y평면 내)한 방향의 적외광을 흡수하는 신축 진동의 경우, 도10(i)에 도시한 적외광을 조사하면, 결합 방향이 (iii)에 도시한 방향으로 재배향된다. 원반상형 분자의 경우, 원반분자 평면 내의 모든 방향으로 결합 방향이 존재하게 된다.
도10(iv)에는 한 원반상형 분자의 분자골격(원반내)의 결합 방향을 도시한다. 결합 방향에 평행(x축)한 방향의 적외광을 흡수하는 신축 진동의 경우, 도10(i)에 도시한 적외광을 조사하면, 결합 방향이 도10(iii) 또는 도10(v)에 도시한 방향으로 재 방향된다(일의적으로 정해지지 않음). 바로 위에서 비편광의 적외광을 조사한 경우에는 일의적으로 도10(v)에 도시한 방향으로 재배향된다.
한편, 결합 방향으로 수직(z축 방향)한 방향의 적외광을 흡수하는 면외 변각 진동에 대응하는 적외광을 조사한 경우, 도10(v)에 도시한 바와 같이, 입사광의 입사축에 수직하는 방향으로 흡수하는 진동 변이 모멘트의 방향이 있는 경우, 도10(i)에 도시한 적외광을 조사하면, 적외광을 흡수하지 않으므로 배향은 그대로유지된다.
처음 흡수하는 진동 변이 모멘트의 방향이 도10(iv)에 도시하는 바와 같은 경우에는 도10(i)에 도시한 적외광을 조사하면, 도10(v) 또는 도10(iii)에 도시하는 바와 같이 진동 변이 모멘트의 방향이 x-y평면 내에서 x축 방향을 향하거나, z 축 방향을 향하는 2가지 방법이 존재하게 된다. 이 경우, 도10(i)에 도시한 편광 적외광 대신에 비편광 적외광을 조사함으로써, 일의적으로 도10(v)에 도시하는 바와 같이 입사광의 입사축에 수직하는 방향으로 흡수하는 진동 변이 모멘트의 방향이 재배향된다.
·편광 적외광을 조사한 경우의 헥사키스헥실옥시트리페닐렌의 분자 배향 방향과 조사광의 관계
(경우1) 헥사키스헥실옥시트리페닐렌(화합물Ⅰ)이 액정상인 헥사고날컬럼 중간상 또는 고체상이고, 조사 적외광에 의해 진동 여기되는 진동 변이 모멘트가 원반상형 분자의 원반 평면 내에 있는 경우.
·트리페닐렌 골격부의 방향족 C-C결합의 진동흡수하는 2개의 파장은 각각 6.19μm(1615cm-1) 및 6.63μm(1509cm-1)이다.
·알콕시 부위의 흡수 파장은 방향족 C-O에 대해서 7.93μm(1261cm-1)이다.
·알콕시 부위의 방향족 C-O-알킬사슬 C-C결합이 흡수하는 파장은 8.58μm (1166cm-1)이다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도11(i)과 같이 기판면에 평행하게 원반 평면이 배향되어 있던 원반상형 분자는 조사 적외광의 편광면(전기장 벡터의 진동면)에 수직하고, 또한 조사광의 입사축에 수직 방향으로 원반 평면이 평행하게 향하도록 재배향된다. 이 때, 원반상형 분자는 도11(ii)에서 도11(iii)로 변화된다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도12(i)과 같이 기판면에 수직하고, 또한 입사 적외광의 편광면에 평행하게 원반 평면이 배향되어 있던 원반상형 분자는 조사 적외광의 편광면(전기장 벡터의 진동면)에 수직하고, 또한 조사광의 입사축에 수직 방향으로 원반 평면이 평행하게 향하도록 재배향된다. 이 때, 원반상형 분자는 도12(i)에서 도12(ii)로 변화된다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도13(i)과 같이 기판면에 수직하고, 또한 입사 적외광의 편광면에 수직으로 원반 평면이 배향되어 있던 원반상형 분자는 배향이 변하지 않는다. 이 때, 원반상형 분자는 적외광 조사 전후에서 도13(i)으로부터 변화되지 않는다.
(경우2) 헥사키스헥실옥시트리페닐렌(화합물Ⅰ)이 액정상인 헥사고날컬럼 중간상 또는 고체상이고, 조사 적외광에 의해 진동 여기되는 진동 변이 모멘트가 원반상형 분자의 원반 평면에 대하여 면외 방향에 있는 경우.
·트리페닐렌 골격부의 방향족 C-H결합이 진동흡수하는 파장은11.92μm(839cm-1)이다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도14(i)과 같이 기판면에 평행하게 원반 평면이 배향되어 있던 원반상형 분자는 그대로의 상태를 유지하며 변화되지 않는다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도15(i)과 같이 기판면에 수직하고, 또한 입사 적외광의 편광면과 수직하게 원반 평면이 배향하고 있던 원반상형 분자는 그대로의 상태를 유지하고 변화되지 않는다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도16(i)과 같이 기판면에 수직하고, 또한 입사 적외광의 편광면과 평행하게 원반 평면이 배향되어 있던 원반상형 분자는 기판면에 수직하고, 또한 입사 적외광의 편광면과 수직으로 원반 평면이 배향하거나(이 때, 원반상형 분자는 도16(i)에서 도16(ii)로 변화된다.), 또는 원반상형 분자가 기판면에 평행하게 원반 평면이 배향되어 있는 상태로 재배향되는(이 때, 원반상형 분자는 도16(i)에서 (iii)로 변화된다) 2가지 경우가 있으며, 또는 양자가 혼재한다.
다음으로, 비직선 편광(랜덤 편광·원평광 등)의 경우에 대하여 설명한다.
(경우3)헥사키스헥실옥시트리페닐렌(화합물1)이 액정상인 헥사고날컬럼 중간상 또는 고체상이고, 조사 적외광에 의해 진동 여기되는 진동 변이 모멘트가 원반상형 분자의 원반 평면에 대하여 면외 방향에 있는 경우.
·트리페닐렌 골격부의 방향족 C-H결합이 진동흡수하는 파장은 11.92μm839cm-1)이다.
적외 레이저광을 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 바로 위에서 조사했을 때, 도17(i)이나 (ii)과 같이 기판면에 수직(면내에서의 방향은 무관계)으로 원반 평면이 배향되어 있던 원반상형 분자는 원반상형 분자가 기판면에 평행하게 원반 평면이 배향되어 있는 상태로 재배향된다. 즉, 원반상형 분자는 도17(i) 및 (ii)에서 도17(iii)으로 변화된다. 이 방법을 이용함으로써, 기판면내 방향에서 비록 액정 분자의 배향이 균일하지 않은 경우라도 분자 평면을 기판면에 평행하게 일의적으로 재배향시킬 수가 있다.
상기에서는 실시예1에서 사용한 분자성 재료를 예로 들어 설명하였으나, 다른 분자성 재료라 하더라도 마찬가지로 배향을 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 가시광을 이용하는 계면 배향 기술이나 액정 재료 배향 제어 기술과 달리, 가시광 영역에 흡수 파장을 갖는 광이성화 관능기(photoisomerizable functional group)를 가지고 있지 않더라도 분자 내에 있어서의 결합의 진동 에너지 흡수를 이용하므로, 많은 액정 재료·고분자 액정 재료, 더 나아가 비결정성 재료, 배향성 고분자 재료 등의 분자성 재료에 적용할 수 있다. 특히, 자기 응집력이 강하고, 기판계면과의 상호작용만으로는 똑같은 배향을 얻기 어려운 컬럼상 등의 액정에 있어서의 배향 제어 기술로서도 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 고분자 액정에 있어서의 주쇄 및 측쇄를 각각 독립하여 제어할 수 있는 분자 배향 제어기술로서도 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서는 적외광의 조사 방향이나 편광 방향을 조절함으로써, 액정 분자 응집계를 제어하여 재배향할 수 있다. 즉, 가시광을 이용한 광배향 제어법과 마찬가지로 조사 적외 광선에 편광을 이용할 수 있고, 또한 무편광인 경우에도 기판에 대하여 비스듬하게 조사할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 원반상형 액정의 컬럼상의 배향 방향을 제어할 수 있다. 또한, 적외 도파로나 피펫 등에서 근접장 효과를 이용하는 것이나, 포토마스크(금속 마스크)를 통하여 적외광을 투사함으로써, 미세구조의 형성이 가능해지며, 또한 배향 변화시에 조사 적외광 강도에 대하여 역치값이 있는 것을 이용한 미세한 가공도 가능해진다.
본 발명에 있어서, 적외광 조사시의 분자성 재료의 온도는 특별히 한정되지 않는다. 분자성 재료가 고체상 또는 중간상을 나타내는 온도 범위가 바람직하고, 고분자 재료의 경우에는 유리 전이점 이상이든 이하이든 상관없다. 분자성 재료의 온도는 물질에 따라 다르나, 일반적으로 실온에서 250℃, 바람직하게는 실온에서 200℃、더욱 바람직하게는 실온에서 180℃이다. 분자 재료의 흡광도가 작은 경우에는 온도를 올리는 것이 바람직하다.
예를 들면, 액정 분자의 경우에는 액정 분자가 고체상 또는 중간상을 나타내는 온도 범위가 바람직하다. 예를 들면, 헥사키스헥실옥시트리페닐렌의 경우에는 99℃이하가 바람직하고, 실온∼99℃가 보다 바람직하며, 특히 바람직하게는 69∼99℃이다.
또한, 적외광을 조사하는 시간으로서는 특별히 한정되지 않으나, 0∼10시간이며, 바람직하게는 1밀리초∼30분, 보다 바람직하게는 1밀리초∼5분, 특히 바람직하게는 1밀리초∼1분이다.
분자성 재료가 고분자 재료일 때, 분자성 재료는 필름, 시트, 막, 플레이트 등이라도 좋다. 두께는 1nm∼10mm, 바람직하게는 100nm∼1mm, 보다 바람직하게는 1μm∼200μm, 특히 바람직하게는 1∼100μm, 가장 바람직하게는 1∼50μm이다. 1cm와 같이 두꺼운 것은 표면의 분자 배향만을 변화시킬 수도 있다.
액정의 경우에는, 액정 재료의 두께는 바람직하게는 10nm∼100μm, 보다 바람직하게는 100nm∼50μm, 더욱 바람직하게는 1∼10μm이다.
또한, 조사하는 적외광의 강도는 광조사 대상물의 온도, 점도, 유동성에 따르지만, 0,1~100mW정도가 바람직하다.
분자 내의 특이적인 관능 부위의 화학 결합을 선택적으로 진동 여기할 수 있기 때문에, 재료를 다른 파장으로 적외 레이저광 조사를 수회 또는 동시 조사를 수행함으로써, 분자 내의 관능 부위마다의 배향을 각각 제어할 수 있다. 이 때문에, 액정에 한정되지 않고, 고분자나 유기박막을 이용하는 배향막 등 기능성 재료 및 각종 소자 구축을 위한 새로운 구조 구축 기술을 제공할 수 있다. 예를 들면, 고체 폴리머를 그 유리 전이점과 융점 사이에서 가열하면, 고체의 폴리머라도 배향할 수 있다. 이 때, 가열 온도는 유리 전이점 이하라도 좋다. 액정 분자에 대해서는 액정상태를 나타내는 온도 범위 뿐만 아니라, 결정 등, 액정보다 질서가 높은 상태에 있어서도 재배향시킬 수 있다.
본 발명에 따라, 적외광을 2회 이상 조사함으로써 상기 분자의 배향을, 입사광 축에 수직인 평면에 대하여 면내 및 면외의 방향으로 스위칭시킬 수 있다.
본 발명에 의한 분자 배향의 유지성은 액정상태의 온도에 따르며, 액정상태에 있어서 온도가 낮을 수록 배향은 안정적이다.
분자 배향 제어 장치
본 발명에 의한 분자 배향 제어 장치는 적외광 조사부(예를 들면, 빔 매니퓨레이터), 및 적외광 조사의 대상물인 분자성 재료의 배치부를 구비한다. 필요에 따라, 회전가능한 적외 편광자 또는 편광소자, 또는 집광계 렌즈 또는 집광 오목면 거울을 더욱 포함할 수 있다(도1참조).
편광소자에는 편광자, 편광 필터, 파장판, 그랜톰슨 프리즘(Glan-Thompson prism) 등이 포함된다. 또한, 그 밖의 미러의 조합으로 편광 방향의 제어가 가능하다(도9). 편광 방향 제어 장치로서는, 예를 들면 회전가능한 편광자 또는 편광소자 등이 예시된다.
상기 적외광 조사부와 상기 배치부 사이의 거리는 집광계 렌즈 또는 집광 오목면 거울의 초점거리에 따라 변화하나, 집광계를 이용하는 경우에는 초점 부근이 바람직하다.
적외광 조사부는 적외광을 발생하고, 편광 2색성을 갖는 것이어도 좋으나, 직선 편광성을 가지고, 파장을 가변 할 수 있는 것이 보다 바람직하다. 단, 동시에 가시광을 발생해도 문제는 없다.
적외광은 레이저광이나 분광기에서 단파장화(모노크로메이트)한 광이라도 좋다.
적외광의 파장은 분자 내의 화학 결합의 진동 여기 에너지에 상당하는 파장이면 좋다. 예를 들면, 방향족계의 액정 분자에 있어서는 분자골격 부분인 방향족 부분의 화학 결합을 진동 여기하는 것이 재배향 후의 배향 방향을 제어하기 쉬운 점에서 바람직하다. 다른 분자성 재료에 있어서도, 측쇄 또는 치환기 이외의 주요 구조(분자골격), 또는 분자골격에 직접 결합하는 치환기의 분자골격과의 화학 결합을 여기하는 것이 좋다.
빛의 강도는 광조사 대상물의 온도상태에 따르지만, 0.1∼100mW 정도를 바람직하게 예시할 수 있다.
본 발명에 있어서의 적외광의 파장제어 장치로서, 예를 들면 자유전자 레이저, 또는 적외선 광원과 분광기(모노크로메이터)의 조합을 들 수 있다.
적외광 조사는 연속 조사이거나 펄스 조사이어도 좋다. 펄스 조사의 경우, 조사시간은 온도에 따라 달라지나, 100밀리초에서 20분이 바람직하다. 바람직한 일실시형태에 있어서 펄스 수는 5∼15마이크로펄스/초 정도이며, 1마이크로펄스는 300∼500마이크로펄스로 이루어진다. 조사량은 1mJ에서 5J정도이다. 조사 강도 조건은 대상으로 하는 적외 흡수 모드의 흡광도에 따라 변화한다.
본 발명에 의하면, 컬럼상 등 점성이 높은 질서 있는 액정계에 대해서도 재배향시킬 수 있다. 또한, 고점성이 또는 고질서 계열인 쪽인 저점성 또는 저질서 계열보다도 재배향한 영역의 배향을 보다 장시간 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 배치부는 유동성이 있는 물질을 유지할 수 있는 구조로서, 온도제어가 가능한 것이 바람직하고, 또한, 이동 또는 회전가능한 것이 바람직하다. 온도제어에 관해서는 히터와 온도감지하는 센서를 구비하고, 센서로 측정한 온도에 의해 히터의 스위치를 온, 오프하도록 하면 좋다. 제어하는 온도의 폭은 실온∼200℃정도이다. 상기 배치부의 이동의 정도는 특별히 한정되지 않으나, 배치부의 면에 대하여 수평 방향 및 수직 방향에 관해서 1μm에서 5mm정도이다. 상기 배치부의 회전은 +90∼-90도 정도인 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 하나에 있어서, 적외광 조사부에 대한 입사광의 방향은 일정한 방향이며, 복수의 조사 장치가 있어도 좋다. 입사 방향 제어부로서, 미러(도9), 회전가능한 편광자 또는 편광소자, 광로(optical path)에 삽입하는 위상판 등을 들 수 있다. 또한, 피조사 물체를 회전함으로써 입사 방향을 제어할 수도 있다. 미러류와 상기 집광렌즈의 배치 관계는 어느 쪽이 광원측이 되더라도 좋다. 입사 방향에 있어서, 10% 정도의 각도 변동은 허용 범위내이다.
본 발명에 의한 분자 배향 제어기술의 응용
본 발명에서는 액정물질 뿐만 아니라, 고분자나 유기박막 등의 광범위한 재료에 대하여 적외광 조사에 의한 분자 배향 제어기술의 응용이 가능하다. 적외광 조사에 의해 분자 배향이 제어된 액정 재료, 고분자막, 및 유기박막 등의 분자성 재료는 광기록 재료, 전도성 재료, 광도파로, 위상차막(phase-contrast film) 등으로서 유용하다. 또한, 본 발명은 전자 사진 감광체, 전계 발광 소자용 전하 수송재료, 액정 소자용 등 각종 배향막 등의 전자재료, 광전자 재료의 고성능화 기술로서의 용도 뿐만 아니라, 고분자를 이용한 소자에 대한 새로운 미세구조 제작기술로서의 용도가 있다. 또한, 분자 내의 화학 결합마다의 배향 방향을 제어할 수 있으므로, 본 발명은 보다 고성능의 재료 개발에 사용할 수 있다.
또한, 적외광 조사에 의해 배향시킨 재료의 분자구조를 광중합 또는 광경화, 기판과의 가교, 중합 등에 의해 고정화함으로써, 얻어진 소자를 넓은 온도 범위에 걸쳐 기능성 소자로서 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 분자 배향 제어 방법에 의해 분자 배향이 제어된 전도성 재료를 유리 또는, ITO 투명 전도막이나 금속 박막을 코팅한 기판 사이에 배치하여, 광전자 소자를 형성할 수 있다.
실시예
실시예1
도1(b)에 도시하는 장치에 있어서(대상물의 상하의 선이 기판에 상당함), 중간상을 나타내는 온도 94℃에서, 분자 평면이 기판에 대하여 균일하게 수평 배향되는 헥사고날컬럼액정의 헥사키스헥실옥시트리페닐렌(화합물1)에 비스듬하게 상 방향으로부터 트리페닐렌 골격부의 방향족 C-C결합이 진동흡수하는 파장의 6.19μm(1615cm-1)의 편광 2색성을 갖는 적외선 레이저 펄스를 조사하면, 조사 부분의 도메인 구조가 변화(도2의 (a）→（b))하고, 분자 배향이 분자 평면이 기판에 대하여 균일한 수직 배향으로 변화되었다. 적외선 레이저 펄스의 조사시간은 조사 조건에 의해 달라지지만, 수 초에서 수 분이다.
다음으로, 상기 적외선 레이저 펄스의 편광 방향을 90°회전시킨 후, (b)의 영역에 조사하면, 이전 조사에 의해 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향으로 배향변화된 도메인이 다시 초기 상태의 분자 평면이 기판에 대하여 균일한 수평 배향으로 변화하고, 편광 현미경상에 있어서 암시야로 되었다(도2의 (b）→（c)).
도2에 있어서, (a)는 조사 전의 편광 현미경상, (b)은 경사진 방향으로부터 파장 6.19μm(1615cm-1)의 편광 2색성을 갖는 적외선 레이저 펄스를 조사한 경우의 직교 니콜(crossed Nicol) 하에서의 편광 현미경상, (c)는 조사광의 편광 방향을 90°회전시킨 후, (b)의 영역에 조사한 경우의 편광 현미경상이다.
또한, 적외 흡수대가 없는 파장 5.95μm(1681cm-1)의 적외선 레이저 펄스를 조사한 경우에는 편광 현미경상에 변화가 나타나지 않았다.
또한, 80℃에 있어서도 분자 평면이 기판에 대하여 균일하게 수평 배향되는 헥사고날컬럼액정에 적외선 레이저 펄스(조사시간:수 초에서 수 분)를 조사하면, 조사 부분의 도메인 구조가 변화하고, 분자 배향은 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향으로 균일하게 변화되었다.
실시예2
도1(b)에 도시하는 장치에 있어서, 중간상을 나타내는 온도에서, 분자 평면이 기판에 대하여 균일하게 수평 배향되는 헥사고날컬럼액정(화합물1)에 비스듬하게 상 방향으로부터 트리페닐렌 골격부의 방향족 C-C결합이 진동흡수하는 파장의 6.63μm(1509cm-1)의 편광 2색성을 갖는 적외선 레이저 펄스(조사시간:수 초에서 수 분)을 조사하면, 조사 부분의 도메인 구조가 변화(도3의 (a）→（b))하고, 분자 배향은 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향으로 변화되었다.
적외선 레이저의 조사를 정지하더라도, 한번 배향이 변화된 부분은 유지되었다.
도3에 있어서, (a)는 조사 전의 편광 현미경상, (b)는 경사진 방향에서 파장 6.63μm(1509cm-1)의 편광 2색성을 갖는 적외선 레이저 펄스를 조사한 경우의 직교니콜 하에서의 편광 현미경상이다.
실시예3
도1(b)에 도시하는 장치에 있어서, 중간상을 나타내는 온도에서, 분자 평면이 기판에 대하여 균일하게 수평 배향되는 헥사고날컬럼액정(화합물1)에 비스듬하게 상 방향으로부터 화합물1의 알콕시 부위의 방향족 C-O-알킬사슬C결합이 흡수하는 파장 8.58μm(1166cm-1)의 편광 2색성을 갖는 적외선 레이저 펄스(조사시간:수 초에서 몇 분)을 조사하면, 조사 부분의 도메인 구조가 변화(도4의 (a) →（b)) 하고, 분자 배향이 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향으로 변화되었다.
실시예4
실시예3에 이어서, 트리페닐렌 골격부의 방향족 C-H결합이 진동흡수하는 파장(11.92μm, 839cm-1)에 상당하는 적외 레이저광을 계속해서 동일하게 도1(b)에 도시하는 장치에 의해 조사한 결과, 실시예3의 적외광 조사에 의해 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향으로 변화된 부분이 분자 평면이 기판에 대하여 균일하게 수평 배향으로 다시 스위칭 되었다. 이러한 공정은 가역적으로 수행할 수 있었다.
실시예5
도1(a)에 도시하는 장치에 있어서, 미리 액정 분자(화합물1)의 원반 평면에 대하여 면내 방향의 진동 변이 모멘트를 갖는 방향족C-C결합의 흡수에 상당하는 파장 6.19μm(1615cm-1)의 적외광을 조사하면, 분자 평면이 기판에 대하여 수직 방향으로 재배향되었다(도5(1)). 계속해서, 그 재배향된 부분에, 액정 분자의 원반 평면에 대하여 면외 방향의 진동 변이 모멘트를 갖는 방향족 C-H결합에 상당하는 파장 11.92μm(839㎝-1)의 적외 레이저 펄스(조사시간:수 초에서 수분)를 조사한 결과, 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향되었던 부분이 수평 배향으로 배향 방향이 스위칭 되었다(도5의 (1）→（3)). 다시 6.19μm(1615㎝-1)의 적외광을 조사한결과, 다시 분자 평면이 기판에 대하여 수직 배향으로 배향 변화하였다(도5의 (3）→（5)).
도5의 (1), (3) 및 (5)의 시료를 각각 45°회전시키면, 광조사 부분이 어두워지는 것이 확인되었다 (각각 도5의 (2), (4) 및 (6)).
도5에 있어서, (1)∼(6)은 직교 니콜 하에서의 편광 현미경상이다.
실시예6
도1(a)에 도시하는 장치에 의해, 94℃에서, 분자 평면이 기판에 대하여 균일하게 수평 배향되는 헥사고날컬럼액정(화합물1)에 알콕시 부위의 방향족C-O결합이 적외 흡수하는 파장 7.93μm(1262cm-1)의 편광 2색성을 갖는 적외선 레이저 펄스를 H자형으로 주사하면서 조사하였다. 조사시간은 1분간이다. 조사량은 약 500mJ이다. 집광계의 렌즈와의 초점거리는 130㎜이었다. 그 결과, 조사 부분의 도메인 구조가 변화하고, 분자 배향이 분자 평면이 기판에 대하여 수평 배향으로부터 균일한 수직 배향으로 변화되었다.
H자형으로 주사하여 적외 레이저 조사 정지 후에, 스테이지를 45°회전시켜 편광 현미경 관찰을 한 결과, 광조사 부분이 밝아지는 것이 확인되었다(도6).
도6에 있어서,(a)는 파장 793μm(1262cm-1)의 도7에 도시한 편광 특성을 갖는 적외선 레이저 펄스를 조사한 경우의 직교니콜 하에서의 편광 현미경상, (b)는 스테이지를 45°회전시킨 후의 상, (c)는 더욱 45°회전시킨 후의 상, (d)는 (a)의경우의 검광자(A 방향), 편광자(P 방향)의 방향, (e)는 (a)의 경우의 조사한 적외 레이저 펄스광의 편광 방향이다.
또한, 적외선 레이저의 조사를 정지하더라도, 한번 배향이 변화된 부분은 유지되었다. 90℃에 있어서, 배향은 적어도 수 시간 유지되었다. 80℃에서는 하루 이상 유지되었다.
또한, 변화된 도메인부의 광축 방향은 조사한 적외선 펄스 레이저의 편광 방향과 여기한 진동 여기의 변이 모멘트의 방향에 ±90°의 관계로 변화되었다(도7 및 8).
마찬가지로, 미러류를 이용하여 조사 적외광의 편광면 방향을 변화시켜서 조사하는 것에 있어서도 동일한 관계가 유지된 분자 배향 제어가 가능했다(도9).
실시예7
실온에서 1축 배향된 폴리에틸렌 텔레프타레이트 필름(25μm두께, Toray Industries, INC. "Lumirror")의 바로 위로부터, 실온, 80℃, 130℃,180℃의 각각의 온도에서 에스테르 결합의 카르보닐 부위의 C=O결합이 흡수하는 파장(1726cm-1, 5.79μm) 또는 고분자 필름에 흡수가 있는 파장(1019cm-1, 9.82μm) 또는 파장(1409cm-1, 7.10μm)에 상당하는 편광 적외선 레이저 펄스(8∼15mW)를 각각 1분간, 갈바노 미러(Galvano Mirror)를 이용하여 조사 적외광을 주사하면서 조사하면, 모든 경우에 있어서 조사 부분의 배향이 변화하고, 그 결과, 광학위상 차이가 변화되었다. 도18의 (a)는 파장 5.79μm의 경우의 편광 현미경상이다.
한번의 마이크로 펄스로 배향이 바뀌는 것을 편광 현미경으로 확인했다.
적외 레이저 조사 정지 후에, 스테이지를 45° 회전시켜 편광 현미경 관찰을 한 결과, 광조사 부분이 어두워졌다(도18(a）→（b)). 또한, 적외선 레이저의 조사를 정지해도 한번 배향이 변화된 부분은 유지되었다.
본 발명의 편광 적외광을 이용한 분자 배향 제어 방법으로 따르면, 액정상 및 고체상의 액정 재료 및 고분자 액정 재료에 대해서, 조사광의 편광 방향과 재배향하는 상기 분자 및 상기 분자 내의 관능 부위의 분자 배향 방향과의 관계를 이용함으로써, 편광 적외광 조사에 의한 정밀한 분자 배향 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 액정 상태 등의 중간상 상태에 있어서 뿐만 아니라 고체상태에 있어서도 적외광 조사에 의한 분자 배향의 제어가 가능하다. 이에 따라, 액정물질 뿐만 아니라, 고분자나 유기박막 등 광범위한 재료에 대하여, 적외광 조사에 의한 분자 배향 제어기술의 응용이 가능해진다.
가시광을 이용한 계면 배향이나 액정 분자 배향 기술과 달리, 가시광으로 광이성화 반응을 하는 것과 같은 특이적인 관능기를 갖지 않은 경우라도 액정 분자골격의 일부위에 대한 진동 에너지 준위를 여기하는 적외광 파장을 선택함으로써, 적외 영역에 흡수대를 갖는 많은 화합물에 있어서 분자 배향의 제어가 가능하다.
특히, 기판 계면과의 상호작용만으로는 동일한 배향을 얻기가 어려운 자기 응집성이 강한 컬럼상 등의 액정에 대하여, 그 컬럼 축 방향을 제어하고, 동일하게 배향시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 분자 내의 특이적인 관능 부위의 화학 결합을 선택적으로 진동 여기할 수 있기 때문에, 다른 파장으로 적외 레이저 광조사를 여러번 수행함으로써, 분자 내의 관능부위마다의 배향을 각각 제어할 수 있다. 한군데의 화학 결합에 대해서 적외선을 조사하여 분자로서의 배향 방향을 변화시키는 종래의 방법과 비교하여, 본 발명의 방법에서는 분자 전체로서의 배향 방향이 변하지 않음에도 불구하고, 분자 내의 복수의 결합 부위에 대하여 결합 방향을 변화시킨 결과, 분자내에 토션(torsion)이 발생하고, 분자 내의 구조를 변화시킬 수도 있다. 본 발명의 방법은 예를 들면, 광학 필름의 복굴절율의 조정, 입체 구조를 제어하면서의 반응 또는 고분자 가교에 응용할 수 있다.
또한, 고분자에 있어서의 주쇄·측쇄를 각각 독립하여 제어할 수 있는 분자 배향 제어기술로서도 본 발명을 이용할 수 있다.
또한, 이에 따라, 액정에 한하지 않고, 고분자나 유기박막을 이용하는 배향막 등의 기능성 재료, 및 각종 소자를 구축하기 위한 새로운 구조 구축 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서 적외광을 조사함에 있어서, 적외 도파로,아파쳐(aperture), 금속침, 피펫 등의 산란 등을 이용한 근접장 효과(near-field effect)를 이용하는 것이나, 포토마스크를 통하여 적외광을 투사함으로써 나노 사이즈 레벨에서의 가공으로의 응용이 가능하다. 또한, 배향 변화시의 조사 적외광 강도의 역치값을 이용한 미세한 가공도 가능하다.
또한, 본 발명은 배향 방향의 스위칭이 이루어짐으로써, 고쳐쓰기 가능한 기록소자, 또는 광로의 고쳐쓰기가 가능한 광도파 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 분자 내의 화학 결합마다의 배향 방향을 제어할 수 있으므로, 고성능 재료 개발로의 용도도 기대된다.

Claims (23)

  1. 분자성 재료에 적외광을 조사함으로써, 재료 분자를 배향시키는
    분자성 재료의 배향 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외광은 편광 적외광(polarized infrared light)인
    방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분자성 재료는 액정 재료(liquid crystal material), 비결정성 재료(amorphous material), 유점성 결정 재료(plastic crystal material), 고분자 액정 재료(polymer liquid crystal material) 및 배향성 고분자 재료(orientational polymer material)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액정 재료는 액정상(liquid crystal phase)을 형성하는
    방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 액정 재료는 고체상(solid phase)을 형성하는
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분자성 재료의 분자 내의 임의의 결합에서의 진동 모멘트가 흡수하는 파장의 적외광을 조사하고, 상기 분자를 조사광의 편광 방향 또는 입사 방향에 대한 특정 방향으로 배향하고, 여기서 상기 진동 모멘트의 방향은 편광 방향에 수직이거나 입사 방향에 평행한
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분자성 재료는 2장의 기판 사이에 끼워지고, 서로 입사 방향, 편광 방향 및 파장으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 다른 편광 적외광을 기판에 대하여 수직 또는 평행 방향으로부터 복수회 조사함으로써, 상기 분자성 재료의 배향이 상기 기판에 대하여 평행 배향과 수직 배향 사이에서 가역적으로 스위칭되는
    방법.
  8. 제1항에 있어서,
    다른 파장의 적외광 조사를 동시에 또는 복수회 수행함으로써, 재료 분자 내의 세그먼트마다의 배향을 소정 방향으로 제어하는
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적외광은 2.5∼25μm의 범위 내에 있는 파장을 갖는
    방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적외광은 레이저광인
    방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분자성 재료는 2장의 기판 사이에 끼워지고, 적외광을 2회 이상 조사함으로써, 상기 분자의 배향이 기판면에 대하여 면내 및 면외 방향으로 스위칭되는
    방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 분자성 재료는 네마틱상(nematic phase), 스메크틱상(smectic phase), 콜레스테릭상(cholesteric phase), 컬럼상(columnar phase) 및 큐빅상(cubic phase)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 액정상 또는 관련되는 중간상(mesophase)을 특정한 온도 범위에서 발현시키고, 적외광의 조사에 의해 분자 배향이 변화되는 액정 분자인
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 재료는 컬럼상인
    방법.
  14. 제1항의 방법에 의해 분자 배향이 제어되는
    기능성 재료.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기능성 재료는 광기록 재료(optical recording material), 도전성 재료(conductive material), 광학 소자(optical element) 또는 광도파로(optical waveguide)인
    재료.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기능성 재료는 광중합(photopolymerization), 광가교(photo-crosslinking) 또는 광경화(photo-setting)에 의해 상기 재료 분자가 고정화되는 광기록 재료인
    재료.
  17. 적외광 조사부 및 분자성 재료의 배치부를 포함하는
    분자성 재료의 배향 제어 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    적외광을 편광 적외광으로 변환하는 편광소자
    를 포함하는 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    적외광의 입사 방향 제어부
    를 포함하는 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    편광 방향 제어 장치
    를 포함하는 장치.
  21. 제17항에 있어서,
    적외광의 파장 제어 장치를 포함하는 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    적외광은 400cm-1∼4000cm-1(2.5μm∼25μm)의 파수(wave number) 범위이고, 또한 편광 2색성을 갖는
    장치.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 배치부는 분자성 재료를 액정상 또는 중간상을 발현하는 특정의 온도 범위로 제어하는 온도 제어부를 포함하는
    장치.
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